四种锁的级别

JDK1.6之前，synchronized 还是一个重量级锁，是一个效率比较低下的锁。但是在JDK1.6后，JVM为了提高锁的获取与释放效率对synchronized 进行了优化，引入了偏向锁和轻量级锁，从此以后锁的状态就有了四种：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。并且四种状态会随着竞争的情况逐渐升级，而且是不可逆的过程，即不可降级，这四种锁的级别由低到高依次是：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。

这里需要说一下锁存放的位置：
锁标记存放在Java对象头的Mark Word位置。

32 位中：

在64位 虚拟机中：

它的最后2bit存放的是锁状态的标志位，用来标志当前对象的状态，对象所处的状态，决定了markword存储的内容。

四种锁介绍

1. 无锁
   无锁是指没有对资源的锁定，所有线程都能访问并修改同一资源，但同时只有一个线程修改成功。

2. 偏向锁

   初次执行到synchronized 代码块的时候，锁对象变成偏向锁（通过CAS修改对象头中的标志位），字面意思是“偏向于第一个获得它的锁”，执行完同步代码块，线程并不会自动释放偏向锁，当同一个线程第二次访问的时候，就会判断对象头中的线程是否为自己（获得锁之后，会在Mark Word 里存储当前线程的ID），不需要重新加锁，没有额外开销，性能高。
   那什么时候释放锁呢？ 当有其他线程尝试竞争偏向锁的时候，持有偏向锁的线程才会释放锁，注意线程是不会主动释放锁的。关于偏向锁的撤销，需要等到全局安全点，即在某个时间点上没有字节码正在执行时，它会暂停拥有偏向锁的线程，然后判断锁对象是否处于锁定状态。如果不处于活动状态则撤销，恢复到无锁或者轻量级锁状态。

3. 轻量级锁

   轻量级锁是指锁是偏向级锁的时候，却被另外的线程锁访问，此时偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，线程不会阻塞，从而提高性能。
   获取的主要两种方式：
   - 当关闭偏向锁时
   - 由于多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁

4. 重量级锁
   当线程锁竞争情况严重，某个达到最大自旋次数的线程（默认为10次），会将轻量级锁升级为重量级锁（通过CAS修改所标志位，但不修改持有ID）。当后序的线程尝试获取锁时，就将自己挂起，等待被唤醒。
   重量级锁将控制权交给了操作系统，有操作系统来负责线程间的调度和状态变换，会出现频繁的对线程运行状态的切换，线程的挂起和唤醒，从而消耗大量的系统资源。

锁升级过程

转换过程

当线程来访问一个对象，锁的升级过程如下：

1. 检查Mark Word 里面的线程ID，如果是，表示当前线程处于偏向锁
2. 如果不是，将使用CAS将当前线程的ID替换Mard Word，如果成功，则表示当前线程获取偏向锁，置偏向锁的标志位为1
3. 如果失败，则说明发生竞争，撤销偏向锁，进而升级为轻量级锁。
4. 当前线程使用CAS将对象头的Mark Word替换为锁记录指针，如果成功，但前线程获得锁
5. 如果失败，则通过自旋来尝试继续获得锁。
6. 如果自旋成功，而仍然处于轻量级锁。
7. 自旋失败，锁升级为重量级锁。

轻量级锁的加锁过程

1. 虚拟机首先将在当前线程栈中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，官方称之为 Displaced Mark Word

2. 拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中；

3. 拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock record里的owner指针指向object mark word。如果更新成功，则执行步骤4，否则执行步骤5

4. 如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态

5. 如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争锁，轻量级锁就要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态

CAS

最后简单的介绍一下CAS

在计算机科学中， 比较和交换 （Conmpare And Swap）是用于实现多线程同步的原子指令，是一种无锁原子算法。

CAS原理

• 它将内存位置的内容与给定值进行比较，只有在相同的情况下，将该内存位置的内容修改为新的给定值。

• 操作结果必须说明是否进行替换; 这可以通过一个简单的布尔响应（这个变体通常称为比较和设置），或通过返回从内存位置读取的值来完成。

• 比较和交换 作为单个原子操作完成, 原子性保证新值基于最新信息计算; 如果该值在同一时间被另一个线程更新，则写入将失败。

仅当 V 值等于 A 值时，才会将 V 的值设为B，如果 V 值和A值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程则什么都不做。最后，CAS 返回当前 V 的真实值。CAS 操作时抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。

当多个线程同时使用 CAS 操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许实现的线程放弃操作。 基于这样的原理，CAS 操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰。

参考链接：nowcoder